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硬件电路基础知识百科全书

一、电子元件基础

1. 基本被动元件// download：itazs.fun/4801/

电阻器(Resistor)

功能：限制电流、分压、分流
类型：碳膜、金属膜、绕线、贴片(SMD)
参数：阻值(Ω)、功率(W)、精度(±%)
色环编码：4环/5环识别法
特殊电阻：热敏电阻(NTC/PTC)、光敏电阻(LDR)、压敏电阻(VDR)

电容器(Capacitor)

功能：滤波、耦合、定时、储能
类型：
- 电解电容(有极性)：铝电解、钽电解
- 无极性电容：陶瓷、薄膜、云母
参数：容值(F)、耐压(V)、等效串联电阻(ESR)
应用场景：
- 大容量滤波：电解电容
- 高频去耦：陶瓷电容
- 精密电路：聚丙烯电容

电感器(Inductor)

功能：滤波、储能、阻抗匹配
类型：空芯、磁芯、铁氧体、贴片
参数：电感量(H)、额定电流、Q值
特性公式： $V = L \frac{di}{dt}$

2. 半导体器件

二极管(Diode)

PN结原理
类型：
- 整流二极管(1N4007)
- 稳压二极管(Zener)
- 肖特基二极管(低压降)
- 发光二极管(LED)
特性参数：正向压降(Vf)、反向击穿电压、最大电流

晶体管(Transistor)

双极型晶体管(BJT)
- NPN/PNP结构
- 工作模式：放大、饱和、截止
- 参数：hFE(β)、VCEO、ICmax
场效应管(FET)
- MOSFET(增强型/耗尽型)
- JFET
- 参数：VGS(th)、RDS(on)、Ciss

集成电路(IC)

模拟IC：运算放大器、电压比较器、稳压器
数字IC：逻辑门、触发器、微控制器
混合信号IC：ADC/DAC、PLL

二、电路基本理论

1. 电路定律

欧姆定律 $V = I \times R$

基尔霍夫定律

电流定律(KCL)：节点电流代数和为零
电压定律(KVL)：回路电压代数和为零

戴维南定理 任何线性有源二端网络可等效为电压源串联电阻

诺顿定理 任何线性有源二端网络可等效为电流源并联电阻

2. 交流电路分析

基本概念

瞬时值、峰值、有效值
周期(T)、频率(f)、角频率(ω)
相位差、功率因数

复数表示法 $Z = R + jX$

阻抗： $Z = \sqrt{R^2 + X^2}$
相位角： $\theta = \arctan(X/R)$

谐振电路

串联谐振： $f_r = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
品质因数： $Q = \frac{\omega L}{R} = \frac{1}{\omega CR}$

三、数字电路基础

1. 逻辑门电路

门类型	符号	布尔表达式	真值表
NOT		Y=!A	0→1,1→0
AND	&	Y=A·B	全1出1
OR	≥1	Y=A+B	有1出1
NAND	&⏵	Y=!(A·B)	全1出0
NOR	≥1⏵	Y=!(A+B)	有1出0
XOR	=1	Y=A⊕B	异出1

2. 组合逻辑电路

编码器/解码器

74HC148 (8-3优先编码器)
74HC138 (3-8译码器)

多路复用器

74HC151 (8选1数据选择器)
应用：信号路由、函数生成

算术电路

半加器：SUM = A⊕B, CARRY = A·B
全加器：考虑进位输入
74LS283 (4位二进制全加器)

3. 时序逻辑电路

触发器

RS触发器：基本存储单元
D触发器：74HC74 (数据锁存)
JK触发器：74HC73 (多功能)

计数器

异步计数器：纹波计数器
同步计数器：74HC161 (4位二进制)
应用：分频、定时

寄存器

并行输入：74HC164
移位寄存器：74HC595 (串入并出)

四、模拟电路设计

1. 放大器电路

运算放大器

理想特性：
- 开环增益→∞
- 输入阻抗→∞
- 输出阻抗→0
基本电路：
- 反相放大： $A_v = -\frac{R_f}{R_{in}}$
- 同相放大： $A_v = 1 + \frac{R_f}{R_{in}}$
- 电压跟随器： $A_v = 1$

差分放大器

共模抑制比(CMRR)
仪表放大器(INA系列)

功率放大器

Class A: 高保真，低效率(<30%)
Class B: 推挽结构，交越失真
Class AB: 折中方案
Class D: 开关模式，高效率(>90%)

2. 滤波器设计

滤波器类型

低通滤波器(LPF)
高通滤波器(HPF)
带通滤波器(BPF)
带阻滤波器(BEF)

有源滤波器

巴特沃斯：最大平坦响应
切比雪夫：陡峭滚降
贝塞尔：线性相位

设计示例 二阶Sallen-Key低通滤波器：

截止频率： $f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_1R_2C_1C_2}}$
阻尼系数： $Q = \frac{\sqrt{R_1R_2C_1C_2}}{C_2(R_1+R_2)}$

五、电源电路技术

1. 线性稳压器

基本结构

调整管：BJT或MOSFET
误差放大器
参考电压源

典型芯片

78系列：正电压输出
79系列：负电压输出
LDO：低压差稳压器(AMS1117)

2. 开关电源

拓扑结构

Buck：降压型
Boost：升压型
Buck-Boost：升降压
Flyback：反激式

PWM控制

占空比： $D = \frac{t_{on}}{T}$
Buck输出电压： $V_{out} = D \times V_{in}$

典型IC

LM2596 (Buck)
MC34063 (Buck/Boost)
UC3842 (电流模式PWM)

六、传感器与接口电路

1. 常见传感器

温度传感器

热电偶：高温度范围
RTD：高精度(Pt100)
热敏电阻：低成本
数字式：DS18B20

光电传感器

光敏电阻：CdS
光电二极管：高速响应
光电晶体管：内置放大

运动传感器

加速度计(ADXL345)
陀螺仪(MPU6050)
霍尔效应传感器

2. 信号调理电路

放大电路

仪表放大器：AD620
可编程增益放大器：PGA204

滤波电路

抗混叠滤波器
噪声抑制滤波器

隔离技术

光耦隔离：PC817
磁隔离：ADuM系列
电容隔离：ISO7240

七、PCB设计基础

1. 设计流程

原理图设计
元件封装选择
PCB布局
布线
DRC检查
生成制造文件(Gerber)

2. 设计规范

布局原则

功能分区：模拟/数字/电源
信号流向：直线/单向
散热考虑：大功率元件位置

布线规则

线宽计算： $W = \frac{I}{k \cdot \Delta T^{0.44}}$
3W原则：减少串扰
地线设计：星型接地/平面接地

层叠结构

4层板典型结构：
- Top (信号)
- GND (地层)
- PWR (电源层)
- Bottom (信号)

八、测量与调试技术

1. 常用仪器

万用表

电压测量：并联
电流测量：串联
二极管测试

示波器

带宽选择：≥5倍信号频率
探头补偿
触发设置

信号发生器

波形类型：正弦/方波/三角波
频率范围
输出阻抗匹配

2. 调试方法

故障排查流程

电源检查
时钟信号验证
关键节点测试
信号追踪

常见问题

短路：低阻值测量
开路：高阻值测量
振荡：示波器观察
噪声：频谱分析

九、安全规范与实践

1. 电气安全

高压操作：单手原则
电容放电：使用放电棒
隔离电源：使用隔离变压器

2. 静电防护

防静电工作台
接地手环
防静电包装

3. 实验室守则

禁止单独高压作业
易燃物远离发热元件
紧急断电程序

十、进阶学习资源

1. 经典教材

《电子学》(霍罗威茨)
《晶体管电路设计》(铃木雅臣)
《高速数字设计》(Johnson)

2. 在线资源

All About Circuits
EEVblog
Hackaday

3. 仿真工具

SPICE (LTspice/PSpice)
Proteus
Multisim

本百科全书涵盖了硬件电路设计的核心知识体系，从基础元件到系统设计，从理论分析到实践应用，为电子工程师提供了全面的参考框架。实际应用中需结合具体需求灵活运用这些基础知识。